JP2020193431A

JP2020193431A - ブレース材

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Publication number: JP2020193431A
Application number: JP2019097580A
Authority: JP
Inventors: 智裕木下; Tomohiro Kinoshita; 光寿吉永; Mitsutoshi Yoshinaga; 和明宮川; Kazuaki Miyagawa; 涼太戸張; Ryota Tobari
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Civil Engineering and Construction Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Civil Engineering and Construction Corp
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: JP7116008B2; KR20210151970A; TW202100848A; WO2020241385A1; KR102649590B1; TWI764156B

Abstract

【課題】鋼管芯材の局部座屈又はき裂などの損傷を目視で直接確認することができ、且つ接合部材と芯材との接合部の耐力を簡易な構造で高めることができる、ブレース材を提供する。【解決手段】ブレース材は、鋼管芯材と、座屈拘束材と、十字形断面の接合部材と、を有している。鋼管芯材の両端部には、接合部材の一端が割り込み挿入される複数の第１切り欠き部が軸方向に所定の長さで形成されている。接合部材は、十字の各辺の寸法が鋼管芯材の外径よりも大きくなるように形成されており、第１切り欠き部の内端面まで挿入されて溶接される挿入部と、挿入部の端面から軸方向に向かって延伸され、鋼管芯材の外面に溶接される延伸部と、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、建築建造物に設置されるブレース材に関するものである。

従来、圧縮軸力作用時に座屈することを防止した座屈拘束ブレースは、種々開発されており、耐震又は制振ブレース材として広く適用されている。ブレース材は、例えば特許文献１に開示された座屈拘束ブレースのように、曲げモーメントを負担する管状の座屈拘束材と、座屈拘束材の内部に設けられ、軸力を負担する芯材と、を有し、芯材の外側から座屈拘束する構成が主流である。座屈拘束材の曲げ耐力、すなわち降伏曲げモーメント又は全塑性曲げモーメントを大きくするためには、座屈拘束材の外径を大きくすることが合理的だからである。

また、一般に、座屈拘束ブレースは、芯材の両端部に、建築構造物の躯体に設けられたガセットプレート等に接合するための接合部材が設けられている。例えば特許文献１に開示された座屈拘束ブレースの接合部材は、芯材の両端部に溶接接合された接合管と、一端が接合管に溶接接合され、他端が躯体に設けられたガセットプレートに接合される十字プレートと、で構成されている。この十字プレートは、接合管との接合箇所の耐力を高めるために、接合管を嵌め込んで溶接接合するための凹部が形成されている。

特開２００８−２２３４１５号公報

特許文献１に開示された座屈拘束ブレースでは、芯材が座屈拘束材に覆われているので、地震等の被災後に芯材の局部座屈又はき裂などの損傷を目視で直接確認し難く、継続利用が可能であるかの判断がすぐにはできないという課題があった。また、この座屈拘束ブレースは、接合部材が、芯材の両端部に溶接接合された接合管と、接合管に溶接接合された十字プレートと、で構成されているので、部材点数が多くなり、複数個所の溶接作業が必要となるので、製造に手間とコストが掛るおそれがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、鋼管芯材の局部座屈又はき裂などの損傷を目視で直接確認することができ、且つ接合部材と鋼管芯材との接合部分の耐力を簡易な構造で高めることができる、ブレース材を提供することを目的とする。

本発明に係るブレース材は、軸力を負担する鋼管芯材と、前記鋼管芯材の管内に挿入された座屈拘束材と、一端が前記鋼管芯材の端部に溶接され、他端が建築構造物の躯体に接合される十字形断面の接合部材と、を有し、前記鋼管芯材の両端部には、前記接合部材の一端が割り込み挿入される複数の第１切り欠き部が軸方向に所定の長さで形成されており、前記接合部材は、十字の各辺の寸法が前記鋼管芯材の外径よりも大きくなるように形成されており、前記第１切り欠き部の内端面まで挿入されて溶接される挿入部と、前記挿入部の端面から軸方向に向かって延伸され、前記鋼管芯材の外面に溶接される延伸部と、を有していることを特徴とする。

本発明によれば、鋼管芯材と、鋼管芯材の管内に挿入された座屈拘束材と、十字形断面の接合部材と、を有する構成なので、地震等の被災後に鋼管芯材の局部座屈又はき裂などの損傷を、作業者が外部から目視で直接確認することができる。また、部材点数が少なくて済むので簡易な構造となり、製造の手間とコストを軽減することができる。また、接合部材は、挿入部の端面から軸方向に向かって延伸され、鋼管芯材の外面に溶接される延伸部を有している。そのため、挿入部の端面と第１切り欠き部の内端面との間にスリットによる断面欠損が生じても、延伸部における溶接箇所の先端部と断面欠損部分と間に物理的に距離を設けることができる。よって、地震等が生じて延伸部の溶接部分に延性き裂が生じても、き裂が断面欠損部分に直線的に繋がることがなく、早期の脆性破断を抑制することができるので、接合部材と鋼管芯材との接合部分の耐力と変形性能を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係るブレース材を示した正面図である。図１に示したＡ−Ａ線矢視断面図である。図１に示したＢ−Ｂ線矢視断面図である。図１に示したＣ−Ｃ線矢視断面図である。本発明の実施の形態１に係るブレース材であって、接合部材と鋼管芯材とを組み合わせる前の段階を示した斜視図である。本発明の実施の形態１に係るブレース材であって、接合部材と鋼管芯材とを組み合わせた状態を示した斜視図である。本発明の実施の形態１に係るブレース材であって、鋼管芯材と座屈拘束材を角形鋼管で構成した場合の断面図である。本発明の実施の形態１に係るブレース材であって、接合部材に延伸部を設けていない構成と、接合部材に延伸部を設けた構成とを比較して示した説明図である。接合部材に延伸部を設けていない試験体の裁荷軸力−軸歪関係と、接合部材に延伸部を設けた試験体の裁荷軸力−軸歪関係と、を比較して示したグラフである。本発明の実施の形態２に係るブレース材を示した正面図である。図１０に示したＤ−Ｄ線矢視断面図である。本発明の実施の形態２に係るブレース材であって、接合部材と鋼管芯材とを組み合わせる前の段階を示した斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略または簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさ、及び配置等は、本発明の範囲内で適宜変更することができる。

実施の形態１．
先ず、実施の形態１に係るブレース材１００を図１〜図９に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るブレース材を示した正面図である。図２は、図１に示したＡ−Ａ線矢視断面図である。図３は、図１に示したＢ−Ｂ線矢視断面図である。図４は、図１に示したＣ−Ｃ線矢視断面図である。図５は、本発明の実施の形態１に係るブレース材であって、接合部材と鋼管芯材とを組み合わせる前の段階を示した斜視図である。図６は、本発明の実施の形態１に係るブレース材であって、接合部材と鋼管芯材とを組み合わせた状態を示した斜視図である。図７は、本発明の実施の形態１に係るブレース材であって、鋼管芯材と座屈拘束材を角形鋼管で構成した場合の断面図である。

実施の形態１に係るブレース材１００は、建築構造物に設置され、耐震及び制振筋交いとして用いられる座屈拘束ブレースである。このブレース材１００は、地震又は風応答に対して圧縮軸力が作用しても座屈することなく耐力を発揮するとともに、塑性変形しても安定したエネルギー吸収能力を発揮するものである。実施の形態１のブレース材１００では、図１に示すように、軸力を負担する鋼管芯材１と、鋼管芯材１の管内に挿入されて曲げモーメントを負担する座屈拘束材２と、一端が鋼管芯材１の端部に溶接され、他端が建築構造物の躯体に接合される十字形断面の接合部材３と、を有している。

鋼管芯材１は、図２〜図６に示すように、円形鋼管である。鋼管芯材１の軸方向の両端部には、図５に示すように、接合部材３の一端部が割り込み挿入されるスリット状の第１切り欠き部１０が軸方向に所定の長さで形成されている。第１切り欠き部１０は、接合部材３の十字形状に適合するように、鋼管芯材１の周方向に沿って等間隔で４か所に形成されている。実施の形態１のブレース材１００では、鋼管芯材１を座屈拘束材２の外側に設けているので、地震等の被災後に鋼管芯材１の局部座屈又はき裂などの損傷を、作業者が目視で直接確認することができ、継続利用が可能であるかの判断を素早く行うことができる。

座屈拘束材２は、図２〜図６に示すように、円形鋼管である。座屈拘束材２の外面と鋼管芯材１の内面とは、１箇所から３箇所程度で溶接されており、座屈拘束材２が鋼管芯材１の内部で動かないように固定されている。

なお、鋼管芯材１及び座屈拘束材２は、図７に示した角形鋼管で構成してもよいし、その他の形状でもよい。また、座屈拘束材２は、必ずしも鋼管である必要はなく例えば鋼棒でもよい。

接合部材３は、建築構造物の躯体に設けられたガセットプレート等に高力ボルト接合又は溶接接合されるものである。図１に示すように、接合部材３に複数設けられた貫通孔３ａは、ガセットプレート等にボルト接合するためのボルト孔である。接合部材３は、図１〜図６に示すように、十字の各辺の寸法Ｂｊが鋼管芯材１の外径よりも大きくなるように形成されており、第１切り欠き部１０の内端面１０ａまで挿入されて溶接される挿入部３０と、挿入部３０の端面から軸方向に向かって延伸され、鋼管芯材１の外面に溶接される延伸部３１と、を有している。

挿入部３０と第１切り欠き部１０との溶接は、例えば隅肉溶接又は部分溶け込み溶接である。挿入部３０の端面と、該端面と対向する第１切り欠き部１０の内端面１０ａとの間には、例えば施工誤差又は溶接による溶け落ちによって、若干のスリット４（断面欠損）が存在している。なお、第１切り欠き部１０の軸方向の長さは、ブレース材１００の設計用軸力に対して接合部材３と鋼管芯材１との溶接部分が降伏しないという条件で決定される。つまり、鋼管芯材１の降伏軸力が大きい場合であっても、溶接箇所の溶接長を調整したり、部分溶け込み溶接としたりすることで容易に適切な耐力を確保することが可能である。

延伸部３１は、第１切り欠き部１０から径方向に突出している各部分における挿入部３０の軸方向の端面から該軸方向に向かって延伸させて形成され、鋼管芯材１の外面に溶接されている。各延伸部３１と鋼管芯材１の外面との溶接も、例えば隅肉溶接又は部分溶け込み溶接である。

次に、図８に基づいて、接合部材３に延伸部３１を設ける理由について説明する。図８は、本発明の実施の形態１に係るブレース材であって、接合部材に延伸部を設けていない構成と、接合部材に延伸部を設けた構成とを比較して示した説明図である。図中の（Ａ）は、接合部材３に延伸部３１を設けていない構成を示し、図中の（Ｂ）は、接合部材３に延伸部３１を設けた構成を示している。図８の（Ａ）に示したように、接合部材３に延伸部３１を設けていない構成では、挿入部３０の端面と第１切り欠き部１０の内端面１０ａとの間に存在するスリット４（断面欠損）が溶接部分５に位置することになる。更に、溶接部分５は、接合部材３と間で形状が不連続となる箇所であるから、局所的に応力が大きくなりやすい。そのため、地震等が生じて溶接部分５に延性き裂が生じると、断面欠損により耐力が低下して塑性変形が集中し、鋼管芯材１がスリット４から早期に破断するおそれがある。

一方、図８の（Ｂ）に示したように、接合部材３に延伸部３１を設けた構成では、延伸部３１の溶接部分５とスリット４との間に、物理的に距離がある。そのため、地震等が生じて溶接部分５に延性き裂が生じても、直ちに脆性的に鋼管芯材１が破断する危険性が小さい。なお、溶接部分５と接合部材３と間で形状が不連続となり、局所的に応力が大きくなりやすいが、グラインダー処理等によって平滑化することで歪集中を緩和することができる。因みに、鋼管芯材１に低降伏点鋼又はＳＮ４９０等の建築構造用鋼材を使用している場合には、鋼材の靱性・延性も高い値が確保されているため、脆性的に破断し難い。

実施の形態１のブレース材１００では、図１に示すように、延伸部３１が位置する範囲に、座屈拘束材２の軸方向の端部が位置するように構成されている。鋼管芯材１は、接合部材３に延伸部３１を設けることによって当該部分の断面積が大きくなり、長手方向の中心部と比べて塑性化し難くなる。そのため、延伸部３１が位置する範囲に、座屈拘束材２の軸方向の端部を位置させることで、座屈拘束材２の曲げ変形を拘束することができ、結果的に鋼管芯材１の局所的な曲げ変形が生じ難くなる。なお、座屈拘束材２の全長は、軸縮みも考慮した上で、延伸部３１が位置する範囲に、軸方向の端部が位置するように構成することが望ましい。

次に、図９に基づいて、実施の形態１に係るブレース材１００の効果を実証するための実験結果について述べる。図９は、接合部材に延伸部を設けていない試験体の裁荷軸力−軸歪関係と、接合部材に延伸部を設けた試験体の裁荷軸力−軸歪関係と、を比較して示したグラフである。図中の（Ａ）は、接合部材３に延伸部３１を設けていない試験体の裁荷軸力−軸歪関係を示したグラフである。図中の（Ｂ）は、接合部材３に延伸部３１を設けた試験体の裁荷軸力−軸歪関係を示したグラフである。図中の縦軸は、ブレース材１００に作用する軸力Ｎを鋼管芯材１の降伏軸力Ｎｙで除した値である。軸力Ｎは、圧縮を正、引張りを負とする。図中の横軸は、材軸方向の伸縮量を鋼管芯材１の長さで除した軸歪である。以下の実証では、鋼管芯材１の外面へ延伸部３１を溶接して設けたことによる効果を確認し、鋼管芯材１と接合部材３とがエンドプレートを介して突合せ溶接された既往の二重鋼管形式の座屈拘束ブレースによる実験結果と比較したものである。

本実験では、鋼管芯材１と座屈拘束材２とが共に円形鋼管であり、ブレース材１００の材軸方向に圧縮及び引張の荷重を繰り返し与えた。また、いずれの試験体も鋼管芯材１は、断面寸法がφ１１４．３ｍｍ×８．６ｍｍ、鋼種がＳＴＫＮ４９０Ｂである。本実験は、軸歪±０．５％で２サイクル（圧縮から引張りの順）、軸歪±１．０％で２サイクル（圧縮から引張りの順）、軸歪±１．５％で２サイクル（圧縮から引張りの順）、・・・と、±０．５％刻みで軸歪を漸増させ、±２．５％で終局に至るまで繰り返した。図９の（Ａ）及び（Ｂ）に示す紡錘形のグラフが囲む面積の総和を降伏歪で除した値が累積塑性変形倍率と呼ばれ、ブレース材１００のエネルギー吸収能力を表す指標、すなわち耐震性の大小を表す指標となる。つまり、紡錘形のグラフが囲む面積の総和が大きい方が、エネルギー吸収能力が大きいことになる。図９に示すように、ブレース材１００は、接合部材３に延伸部３１を有することにより、エネルギー吸収能力が向上していることが明確にわかり、本発明の効果が実証されている。

次に、延伸部３１の軸方向の長さｌ_ｃについて説明する。延伸部３１は、施工誤差又は溶接による溶け落ちを勘案し、軸方向に３０ｍｍ以上の長さで形成されている。この延伸部３１の軸方向の長さｌ_ｃは、以下の根拠に基づいて算出される。

第１切り欠き部１０に挿入した挿入部３０の溶接部分は、側面隅肉溶接であり、鋼管芯材１の設計軸力Ｎｊを接合部材３に伝達する。この側面隅肉溶接の溶接線は８線あり、延伸部３１とスリット４（断面欠損）を無視すると、ブレース材１００の軸方向に作用する軸力に対するこの溶接部分の降伏耐力（せん断耐力）_ｗｓＮ_ｙは、式（１）で求められる。

したがって、側面隅肉溶接のせん断降伏防止条件である設計条件は、式（２）で与えられる。

そして、鋼管芯材１の欠損部に相当する部分であるスリットが保持していた軸力は、延伸部３１の隅肉溶接のせん断抵抗によって材軸方向に伝達されていると仮定する。このとき、延伸部３１の隅肉溶接が降伏しないという条件より、延伸部３１の長さｌ_ｃの必要値は、式（３）で表される。

以上のように、実施の形態１に係るブレース材１００は、鋼管芯材１と、鋼管芯材１の管内に挿入された座屈拘束材２と、十字形断面の接合部材３と、を有する構成なので、地震等の被災後に鋼管芯材１の局部座屈又はき裂発生等の損傷を、作業者が外部から目視で直接確認することができ、継続利用が可能であるかの判断を素早く行うことができる。また、ブレース材１００は、上記構成により、部材点数が少なくて済むので簡易な構造となり、製造の手間とコストを軽減することができる。

また、実施の形態１に係るブレース材１００は、十字の各辺の寸法Ｂｊが鋼管芯材１の外径よりも大きくなるように形成されており、第１切り欠き部１０の内端面１０ａまで挿入されて溶接される挿入部３０と、挿入部３０の端面から軸方向に向かって延伸され、鋼管芯材１の外面に溶接される延伸部３１と、を有している。つまり、挿入部３０の端面と第１切り欠き部１０の内端面１０ａとの間にスリットによる断面欠損が生じても、延伸部３１における溶接箇所の先端部と断面欠損部分との間に物理的に距離を設けることができる。よって、ブレース材１００は、地震等が生じて延伸部３１の溶接部分に延性き裂が生じても、き裂が断面欠損部分に直線的に繋がることがなく、早期の脆性破断を抑制することができるので、接合部材３と鋼管芯材１との接合部分の耐力と変形性能を高めることができる。

実施の形態２．
次に、図１０〜図１２に基づいて、本発明の実施の形態２に係るブレース材１０１を説明する。図１０は、本発明の実施の形態２に係るブレース材を示した正面図である。図１１は、図１０に示したＤ−Ｄ線矢視断面図である。図１２は、本発明の実施の形態２に係るブレース材であって、接合部材と鋼管芯材とを組み合わせる前の段階を示した斜視図である。なお、実施の形態１で説明したブレース材１００と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を適宜省略する。

実施の形態２のブレース材１０１は、図１０〜図１２に示すように、座屈拘束材２の軸方向の両端部に、接合部材３の形状に適合する第２切り欠き部２０が所定の長さで形成されている。接合部材３の挿入部３０は、第１切り欠き部１０と第２切り欠き部２０に挿入されている。挿入部３０は、座屈拘束材２に溶接されておらず、第２切り欠き部２０に単に挿入されているだけである。

第２切り欠き部２０は、想定する最大軸縮みが座屈拘束材２に生じても、挿入部３０が挿入された状態を維持できる長さに設計されている。なお、第２切り欠き部２０は、座屈拘束材２と接合部材３とが軸方向にスムーズに伸縮できるように、接合部材の板厚に対してやや過大に形成することが望ましい。

実施の形態２のブレース材１０１では、座屈拘束材２の両端部に、挿入部３０を挿入させる第２切り欠き部２０が形成されているので、座屈拘束材２と鋼管芯材１とを溶接等で固定する必要がなく、製造の手間とコストを軽減できる。また、実施の形態２のブレース材１０１では、地震等による鋼管芯材１の縮代を考慮して第２切り欠き部２０を形成することにより、座屈拘束材２に軸力が伝達されない信頼性の高い構造を実現できる。

以上に本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施の形態の構成に限定されるものではない。ブレース材１００及び１０１は、上述した内容に限定されるものではなく、設置する建築構造物に応じた他の構成要素を含んでもよい。要するに、本発明は、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更及び応用のバリエーションの範囲を含むものである。

１鋼管芯材、２座屈拘束材、３接合部材、３ａ貫通孔、４スリット、５溶接部分、１０第１切り欠き部、１０ａ内端面、２０第２切り欠き部、３０挿入部、３１延伸部、１００、１０１ブレース材。

Claims

軸力を負担する鋼管芯材と、
前記鋼管芯材の管内に挿入された座屈拘束材と、
一端が前記鋼管芯材の端部に溶接され、他端が建築構造物の躯体に接合される十字形断面の接合部材と、を有し、
前記鋼管芯材の両端部には、前記接合部材の一端が割り込み挿入される複数の第１切り欠き部が軸方向に所定の長さで形成されており、
前記接合部材は、十字の各辺の寸法が前記鋼管芯材の外径よりも大きくなるように形成されており、前記第１切り欠き部の内端面まで挿入されて溶接される挿入部と、前記挿入部の端面から軸方向に向かって延伸され、前記鋼管芯材の外面に溶接される延伸部と、を有していることを特徴とする、ブレース材。
前記延伸部は、軸方向に３０ｍｍ以上の長さで形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のブレース材。
前記鋼管芯材及び前記座屈拘束材は、角形鋼管又は円形鋼管であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のブレース材。
前記延伸部が位置する範囲に、前記座屈拘束材の軸方向の端部が位置するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のブレース材。
前記座屈拘束材の両端部には、前記接合部材の十字形状に適合する第２切り欠き部が所定の長さで形成されており、
前記接合部材の前記挿入部は、前記第１切り欠き部と前記第２切り欠き部に挿入されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のブレース材。